超高速激光熔覆技術(shù)綠色制造耐蝕抗磨涂層

王豫躍，牛 強，楊冠軍，李長久

金屬材料強度國家重點實驗室，西安交通大學材料學院,陜西 西安 710049

表面涂層技術(shù)，是防護機械設備及其關重件表面腐蝕、磨損等失效的最重要和最基本手段.雖然傳統(tǒng)的涂層制備技術(shù)如電鍍、熱噴涂[1]、堆焊[2]等方法在個各工業(yè)領域中有大量應用，但也各有局限性.比如，電鍍技術(shù)近年來在歐盟、美洲和我國都被列為嚴格禁止使用、大幅壓縮應用的技術(shù)[3-4].激光熔覆技術(shù)因具有清潔綠色和涂層品質(zhì)優(yōu)異的特點而擁有大規(guī)模推廣應用的潛力[5]，但是傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)的粉末利用率低、總體加工效率低、涂層及其零件精度低，使涂層成本偏高，從而制約了其大規(guī)模推廣應用[6].

為解決上述問題，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer ILT)和亞琛工業(yè)大學 (RWTH-Aachen)聯(lián)合進行研發(fā)，并于2017年提出超高速激光熔覆技術(shù)，解決了涂層加工效率低的瓶頸問題，從而為激光熔覆技術(shù)大規(guī)模應用提供可能[7].西安交通大學依托金屬材料強度國家重點實驗室在數(shù)十年表面和激光技術(shù)研究基礎上，研發(fā)了中國自主知識產(chǎn)權(quán)的系列超高速激光熔覆裝備，目前已發(fā)展到第三代，并從涂層材料設計、制備工藝和涂層性能等方面開展了系統(tǒng)的研究.

本文在介紹自主超高速激光熔覆設備的同時，還對典型的涂層材料和涂層性能進行研究分析，旨在為不同行業(yè)合理選擇超高速激光熔覆涂層和開展工藝優(yōu)化提供依據(jù).

1 超高速激光熔覆裝備

1.1 設備組成

超高速激光熔覆裝備SHE-LSC3000是由西安交通大學自主研發(fā)的第三代超高速激光熔覆裝備，其主要由光纖激光發(fā)生器、送粉器、激光熔覆頭、氣體供應系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工業(yè)機器人及高精度高速機床組成.

光纖激光發(fā)生器是輸出穩(wěn)定的激光能量，為激光熔覆提供所需的熱量.送粉器是控制粉末均勻輸送至送激光熔覆粉頭，為激光熔覆提供填充材料.激光熔覆頭是整合由光纖激光器輸入的激光和送粉器供給的粉末，從而實現(xiàn)激光與粉末同軸輸出，由光路系統(tǒng)和送粉噴嘴組成的激光熔覆頭是整套裝備的核心部件部分.氣體供應系統(tǒng)是為粉末送進提供動力，保證粉末連續(xù)穩(wěn)定送進，以及為激光熔覆頭光路系統(tǒng)提供保護氣體，防止粉塵污染組合鏡片導致激光能量輸入受影響.冷卻系統(tǒng)為激光器和高速激光熔覆頭制冷提供保證，保障加工過程長時間安全、穩(wěn)定進行.工業(yè)機器人可搭載激光熔覆頭在空間自由移動，通過數(shù)控編程技術(shù)控制機器人，提高激光熔覆的加工精度和柔性，滿足復雜平面加工的需求.高精度高速機床可夾持加工零件在空間位移，在數(shù)控編程系統(tǒng)的控制下，實現(xiàn)工件高速運動和位置變換.

1.2 性能對比

為評價第三代超高速激光熔覆裝備的性能，參考國內(nèi)外相關測試標準，對該套裝備的主要參數(shù)和制備的涂層性能進行了測試，并與國內(nèi)外現(xiàn)有設備進行了比對及分析.

表1 國內(nèi)外超高速激光熔覆設備參數(shù)與涂層性能比對

由表1可以發(fā)現(xiàn)：目前超高速激光熔覆設備中進口設備和SHE-LSC3000在涂層稀釋率控制方面基本都能控制在5%左右，SHE-LSC3000甚至能夠?qū)⑼繉酉♂屄士刂频椭亮悖椿w完全不熔化，而是在光滑基體上當涂層達到一定厚度后在熱應力的作用下直接剝落，具有與傳統(tǒng)熱噴涂相同的特征，這為解決傳統(tǒng)堆焊和激光熔覆涂層性能受基材影響大而性能惡化的問題提供了解決方案；在粉末利用率方面，SHE-LSC3000與進口設備相當，均能達到90%以上，高于其它國產(chǎn)設備；SHE-LSC3000最大亮點在于熔覆效率，其遠高于進口和國產(chǎn)設備，熔覆效率高達6 m2/h，國內(nèi)外設備基本在1～2 m2/h左右，這為超高速激光熔覆技術(shù)工業(yè)化推廣創(chuàng)造了條件.

2 超高速激光熔覆致密涂層結(jié)構(gòu)

2.1 組織致密

圖1為采用超高速激光熔覆及電鍍硬鉻兩種不同工藝制備的涂層截面的組織形貌.從圖1(a)可以發(fā)現(xiàn)，采用超高速激光熔覆制備的鐵基SS431涂層與基體結(jié)合良好，組織結(jié)構(gòu)致密，無孔洞裂紋等缺陷存在，涂層致密度幾乎為100%.從電鍍硬鉻涂層截面(圖1(b))發(fā)現(xiàn)，涂層內(nèi)部存在一些垂直于涂層界面的裂紋、孔洞缺陷.

這些存在鍍鉻層中的微裂紋，特別是貫穿性的微裂紋容易成為腐蝕介質(zhì)的通道，使得腐蝕介質(zhì)進入涂層內(nèi)部，并腐蝕掉涂層與基體結(jié)合部位的金屬，在外力作用下導致電鍍硬鉻層剝落，從而使材料的防護失效[9-11].采用超高速激光熔覆制備的涂層，由于涂層組織致密完全可以避免類似的涂層防護失效.

圖1 不同涂層截面組織形貌(a)超高速激光熔覆涂層；(b)電鍍硬鉻涂層Fig.1 Cross sectional microstructure of coatings(a) super-high efficient laser cladding coating; (b) electroplating hard chromium coating

2.2 晶粒細小

圖2為采用超高速激光熔覆和傳統(tǒng)激光熔覆在相同工藝參數(shù)下制備的鐵基合金SS431涂層組織形貌圖.從圖2(a)可見，超高速激光熔覆涂層晶粒細小且分布均勻，涂層組織致密.這是因為超高速激光熔覆的特殊技術(shù)特點，其加工速度快，冷卻凝固時過冷度大[12]，晶粒形核率高，從而晶粒之間相互接觸，抑制了粗大樹枝晶粒的形成[13].

從圖2(b)觀察到，采用傳統(tǒng)激光熔覆制備的SS431涂層的組織相對粗大，且枝晶生長方向也相對不均勻.這是因為傳統(tǒng)激光熔覆加工速度慢，熱輸入量大，造成大的激光熔池[14]，過熱導致晶粒組織粗大，依附于基材半熔化原子層形核的晶粒沿著散熱方向迅速長成粗大的樹枝晶[15]，到達頂部時由于形核質(zhì)點增多使得晶粒生長方向也變得雜亂，從而呈現(xiàn)不均勻生長的特性[16].

圖2 超高速激光熔覆涂層與傳統(tǒng)激光熔覆涂層組織(a)超高速激光熔覆；(b)傳統(tǒng)激光熔覆Fig.2 Cross sectional microstructure of coatings(a) super-high efficient laser cladding; (b) conventional laser cladding

2.3 稀釋率低

圖3是采用超高速激光熔覆與傳統(tǒng)激光熔覆在相同工藝參數(shù)下制備的鎳基合金N2606單道涂層截面形貌圖.圖3(a)為超高速激光熔覆單道截面形貌圖，從截面可以觀察到基體幾乎未被熔化，這意味著涂層化學成分受基材熔化被稀釋的可能性會大大降低，表現(xiàn)為采用超高速激光熔覆制備的涂層稀釋率極低，涂層化學成分和理化性能得到極大保留.這是因為超高速激光熔覆的特殊的熱輸入原理所致，激光束流在距基材表面一定距離與匯聚的粉末束流相互作用并熔化粉末粒子[7]，僅很少一部分激光熱量作用在基材表面，加之超高速激光熔覆大的加工件速度快、比能量小，因此在基體表面形成的熔池很小，僅有很薄一層的基體發(fā)生熔化并與填充材料實現(xiàn)冶金結(jié)合，使得熔池只有接觸基體非常小的范圍內(nèi)存在稀釋區(qū)，導致稀釋率較低[7].

圖3(b)為傳統(tǒng)激光熔覆單道截面形貌圖.截面明顯可以發(fā)現(xiàn)，很大比例的基材受熱作用發(fā)生了熔化，這意味涂層和熔化基材在液態(tài)熔池對流作用下會發(fā)生強烈的化學組分交換，涂層化學成分會被基材稀釋改變[17]，造成傳統(tǒng)激光熔覆稀釋率較大.這是因為傳統(tǒng)熔覆的加工速度慢、比能量較大，基體所受到的熱輻射能量較多[18]，使得很大一部分基體材料被熔化而進入涂層，造成對涂層材料較多的稀釋.

圖3 超高速激光熔覆與傳統(tǒng)激光熔覆單道截面形貌(a)超高速激光熔覆；(b)傳統(tǒng)激光熔覆Fig.3 Cross sectional microstructure of single pass(a) super-high efficient laser cladding; (b) conventional laser cladding

3 超高速激光熔覆高品質(zhì)涂層性能

3.1 力學性能

圖4為超高速激光熔覆涂層和電弧噴涂層與基體結(jié)合處的截面形貌.從圖4(a)觀察到，采用超高速激光熔覆制備的N2606涂層結(jié)合界面處未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋、孔洞等缺陷，表明超高速激光熔覆制備的涂層與基體結(jié)合性能優(yōu)良.這是因為超高速激光熔覆特殊的粉末加熱原理所致，特制的送粉噴嘴將粉末流在距基材表面一定高度匯聚并與激光束流相互作用，使粉末進入基體表面熔池前已達到熔化狀態(tài)[19]，因此制備的熔覆層能與基體表面薄層熔池產(chǎn)生冶金連接，故結(jié)合性能優(yōu)良.

從圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，電弧噴涂獲得的涂層為典型的層狀結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部存在孔隙，涂層與基體間存在未結(jié)合界面.這與電弧噴涂涂層的沉積機理有關[14]，電弧噴涂依靠基材粗糙不平的表面和高速半熔化粒子撞擊到基材上形成扁平粒子與基材機械咬合形成涂層[20]，后續(xù)未熔融的顆粒又依次覆蓋，最終使涂層內(nèi)部形成未結(jié)合界面，導致涂層結(jié)合強度大大地降低[21].

圖4 不同涂層結(jié)合面組織形貌(a)超高速激光熔覆；(b)電弧噴涂Fig.4 Cross sectional microstructure of coatings fabricated by different coating technologies(a) super-high efficient laser cladding; (b) arc spraying

圖5是采用超高速激光熔覆(SHE-LC)和等離子堆焊(PTA)技術(shù)，在304不銹鋼表面分別采用N2606鎳基合金及SS431鐵基合金制備涂層的顯微硬度.從圖5可見：超高速激光熔覆鎳基N2606涂層的顯微硬度值，比等離子堆焊制備的相應涂層的硬度大幅度提高；而SS431涂層硬度也比PTA制備的SS431涂層高31.4HV.這說明超高速激光熔覆制備的涂層具有更高的硬度，這是由于前述采用這種新技術(shù)制備的涂層，具有組織致密、晶粒更加細小和稀釋率低等組織特征導致的.

為了進一步全面評價超高速激光熔覆技術(shù)制備涂層的綜合性能，歸納了部分現(xiàn)有的涂層制備技術(shù)的相關指標，與超高速激光熔覆技術(shù)進行比較(如表2所示).由表2可知：與常規(guī)涂層制備技術(shù)相比，激光熔覆制備的涂層使用壽命遠大于其他涂層，因為激光熔覆技術(shù)制備的涂層結(jié)合強度高，均為冶金結(jié)合；與傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)相比較，超高速激光熔覆技術(shù)制備的涂層厚度范圍更廣，最薄可到20 μm，且生產(chǎn)成本也更低，這是因為超高速激光熔覆加工效率高，材料利用率高.綜上所述，超高速激光熔覆技術(shù)能夠在較低成本下獲得高品質(zhì)防護涂層.

圖5 超高速激光熔覆和等離子堆焊技術(shù)制備不同材料涂層的顯微硬度Fig.5 Hardness of coatings fabricated by super-high efficient laser cladding and plasma transfer arc surfacing technologies

表2 超高速激光熔覆技術(shù)與部分現(xiàn)有涂層制備技術(shù)的綜合比較

注：1)鍍鉻表面的高硬度無實質(zhì)作用，是工藝過程自然形成的特點[20].

3.2 耐蝕性能

采用電化學腐蝕方法對采用超高速激光熔覆技術(shù)制備的N2602，N2604，N2606和SS431涂層及基體304不銹鋼的耐蝕性進行了測試和分析.

圖6為4種涂層及基體在3.5% Nacl溶液中的極化曲線測試結(jié)果，表3為運用Tafel外推法確定各自的腐蝕電位Eo、腐蝕電流密度Io和腐蝕速率.其中，腐蝕電位反應材料的熱力學腐蝕傾向，越大表示材料的腐蝕傾向相對越??；腐蝕電流密度和腐蝕速率反應材料的均勻腐蝕速率，數(shù)值越大表示材料的腐蝕越快[23].

圖6 超高速激光熔覆制備不同材料涂層和基體在3.5%Nacl溶液中的極化曲線Fig.6 Tafel curves of super-high efficient laser cladding coatings and 304 stainless steel

Table 3 Corrosion results of SHE-LC coatings and 304 stainless steel

從圖6和表3可以發(fā)現(xiàn)，采用超高速激光熔覆技術(shù)制備的4種涂層中，有兩種材料涂層的腐蝕電位得到了提高，另兩種涂層腐蝕電位也基本與304不銹鋼基體相當[24].其中N2606表現(xiàn)最佳，腐蝕電位Eo較基體304不銹鋼提高了31 mv，腐蝕電流密度Io降低了1.72 μA/cm2.涂層腐蝕電位Eo的上升說明涂層對腐蝕的抵抗能力更強了，而腐蝕電流密度Io的下降說明涂層腐蝕速率的降低，這說明超高速激光熔覆技術(shù)制備合適的涂層能夠顯著提高基體的耐蝕性能.

4 超高速激光熔覆技術(shù)工程化專用系統(tǒng)及技術(shù)

4.1 運動機構(gòu)的選擇

超高速激光熔覆兩大突出技術(shù)特點為高效率和高精度，主要依靠整套熔覆裝備的運動機構(gòu)保證.一方面，采用數(shù)控機床作為工件移動機構(gòu)，可以保證工件與熱源之間能夠高速移動，從而獲得較高的加工效率[25].另一個方面，激光束流的可達性和方向性好，從而保證了加工的精度.但是激光熔覆熱量輻射對于距離的變化非常敏感[26]，激光熔覆頭到工件表面的距離變化直接決定了所制備涂層的質(zhì)量[27].尤其熔覆復雜曲面時，雖然普通數(shù)控機床的控制精度可以滿足加工精度的需求，但數(shù)控機床的編程操作不夠便利.為了進一步簡化編程控制，可以采用可編程數(shù)控機器人作為激光熔覆頭移動機構(gòu)，從而實現(xiàn)柔性加工，提高加工精度[28]，保證復雜工件涂層制備的質(zhì)量.

圖7是西安交通大學自主開發(fā)的第三代超高速激光熔覆系統(tǒng)SHE-LSC3000，運動機構(gòu)采用了六自由度的工業(yè)機器人，還可以根據(jù)具體是使用要求來增加外部軸從而更大程度的適應各類復雜的曲面涂層制備.

4.2 加工參數(shù)的選擇

4.2.1 激光功率

如圖8所示，在掃描速度和送粉速率相同的情況下，分別采用1，2和4 kW的激光功率熔覆獲得的SS431單道涂層的截面形貌圖.從圖8可以發(fā)現(xiàn)，在掃描速度和送粉量一定的情況下，隨著激光功率的增加，粉末熔化越充分[29]，涂層結(jié)合強度越好，但基材熔化量也會增加，涂層的稀釋率也越大.

因為掃描速度、送粉速率、激光功率不匹配時，過大的激光功率會使大量熱量輸入到基材.因此在實際生產(chǎn)過程中，在保證粉末粒子熔化的前提條件下，激光功率應當合理選擇，避免功率過大導致涂層因稀釋而性能惡化.

4.2.2 掃描速度

在激光功率和送粉量相同的情況下，圖9為分別采用50，100和300 mm/s的掃描速度制備的SS431單道涂層的截面形貌.從圖9可以發(fā)現(xiàn)，在激光功率和送粉量一定的情況下，隨著掃描速度的增加，涂層厚度逐漸減小，稀釋率逐漸降低.

因為隨著掃描速度的增加，激光比能量減小，大部分用于粉末粒子熔化，僅少量加熱基材，提高能量利用率.因此在實際工程化應用時，保證涂層厚度滿足需求、粉末充分熔化的的前提下，盡量使用大的掃描速度，這樣可以獲得性能優(yōu)良的涂層，滿足工程化對效率的需求.

圖7 第三代超高速激光熔覆系統(tǒng)SHE-LSC3000Fig.7 The third generation of super-high efficient laser cladding equipment SHE-LSC3000

圖8 激光功率對涂層形貌的影響(a)1 kW；(b)2 kW；(c)4 kWFig.8 Effect of laser power on the morphology of single pass

圖9 掃描速度對涂層形貌的影響(a)50 mm/s；(b)100 mm/s；(c)300 mm/sFig.9 Effect of scanning speed on the morphology of single pass

4.3 加工后處理

傳統(tǒng)激光熔覆，由于加工過程中大部分熱量被基體吸收而損失，同時加工速度較慢，容易導致粒子熔化不充分和氣孔夾雜等加工缺陷[8].因此，在激光加工完成后一般需要對涂層進行激光重熔，以便消除涂層內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷.

超高速激光熔覆裝備的特殊結(jié)構(gòu)設計，熱量利用率高，制備的涂層內(nèi)部幾乎無孔洞、裂紋等缺陷，且表面光潔度好(如圖10所示).因此，采用超高速激光熔覆技術(shù)制備的涂層可以直接進行后續(xù)磨拋精加工[30]，不必采用粗加工處理，材料利用率高，加工成本低.

圖10 超高速激光熔覆SS431涂層表面光滑F(xiàn)ig.10 Smooth surface of SS431 coating fabricated by super-high efficient laser cladding

5 結(jié) 論

(1)西安交通大學自主開發(fā)的第三代超高速激光熔覆系統(tǒng)SHE-LSC3000，可在鐵基體、銅基體和鋁基體上制備鈷基、鎳基、鐵基、銅基和鋁基合金等各種金屬合金和金屬陶瓷涂層，涂層與基體結(jié)合強度高(冶金結(jié)合)，組織全致密，涂層厚度調(diào)控范圍廣(0.02～3 mm).

(2)由于粉末加熱熔化控制精準，粉末利用率高(90% 以上)，生產(chǎn)效率高(6 m2/h)，稀釋率低(0～5%)，生產(chǎn)效率、稀釋率和涂層厚度調(diào)控范圍等指標顯著優(yōu)于進口設備.

(3)采用該系統(tǒng)制備的涂層，組織致密、晶粒細小，硬度顯著高于等離子堆焊層.此外，對基體熱影響小、適用性強，能廣泛用于綠色制造耐蝕、耐磨涂層.

(4)超高速激光熔覆N2606涂層，由于致密均勻的組織結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，年腐蝕速率僅為304不銹鋼的1/25.